单细胞图谱：跨人体器官的共享和组织特异性细胞类型

研究背景

单细胞和空间转录组学方法的发展有助于支持人类细胞图谱计划，该计划旨在生成人体内所有细胞的综合图谱。随着相关技术的进步，使得人类器官和组织图谱构建以及我们对单个细胞类型的理解更加便利。人体组织图谱的构建，使得人体器官中主要细胞类型和支持细胞类型的组织特异性及共性越来越显著。国际人类细胞图谱（HCA）计划现已分析了来自30多个器官的超过5000万个细胞，最终的图谱将提供组织组成的详细概述，帮助我们更深入地了解它们的身份、功能、发育和调控，并为推动生物医学研究和临床实践提供理论基础。

在这篇综述中，作者首先概述了单细胞转录组学研究的数据生成和整合过程。然后，讨论了一组定义明确的跨组织谱系中新的跨组织见解，包括上皮细胞、血管和免疫细胞。最后，作者结合大细胞图谱研究结果和动物实验人类临床相关实验的研究结果，讲述了上皮细胞、血管和免疫细胞的组织特异性和共性。

研究结果

1、人体组织中的细胞在单细胞RNA测序（scRNA-seq）实验中，往往是根据基因表达谱对大量单个细胞进行测序和计算分组（即聚类），实现细胞类型和细胞状态的无偏识别。而在人体组织中，生成综合细胞类型图的一种常见研究策略，是一次处理一个或几个器官。多个细胞谱系的开创性跨组织研究应运而生，它们要么利用新生成的数据，要么整合现有数据，但两种方法均有一定的弊端。随着单细胞数据的发展，对组织特异性的研究成为人们关注的热点。当单细胞数据与遗传学信息相结合时，其在帮助识别与疾病相关的组织或细胞类型上有显著优势。单细胞相关研究还可以进一步了解遗传变异如何导致疾病，为疾病治疗提供新思路。其在对人体器官和组织之间细微差异的研究，还有助于药物输送和个性化治疗设计的进步。（图1）

Fig.1

2、具有上皮特征的细胞上皮细胞在以屏障器官为特征的单细胞图谱中研究较多，包括人体皮肤、气道、肝脏、胃肠道以及胰腺和肾脏。在整个组织中，上皮细胞具有明确的结构和分子特征。部分非典型上皮细胞亚群与其他谱系细胞有相同特征，例如间皮细胞具有上皮细胞和间质细胞的特征。间皮细胞在心脏和肠道等器官中特异性表达LRRN4、UPK3B、KRT19、PRG4和MSLN。同样，肌上皮细胞与肌肉细胞的功能特征相同。根据单细胞数据，这些细胞具有收缩细胞特征（表达TAGLN和ACTA2）。还有部分非典型上皮细胞是高度特化的，例如肾足细胞缺乏上皮细胞粘附分子（EPCAM）且在转录组上不同于其他肾上皮细胞，这种差异可能是由于关键转录因子FOXL1的激活驱动的。这说明，在识别上皮细胞之间的异同特征等方面，单细胞数据具有非常大的潜力。

上皮细胞可在各种器官中形成多细胞外分泌腺和内分泌腺，具有产生和分泌激素、酶或其他物质的特殊功能。大多数腺体有一个分泌系统和一个导管系统。目前，大多数研究集中在人体组织中分泌细胞特化的部分。例如，胃有胃腺、胃小凹上皮细胞、粘液细胞以及内分泌亚群，共同形成内分泌胃粘液腺（表达抗菌肽基因LTF和BPIFB1），对胃部有一定的保护功能。在人类乳腺组织中，已鉴定出导管基底细胞、肌上皮细胞和管腔亚群（L1和L2），他们在增殖、分泌和激素反应中具有特殊功能。而与腺体的分泌细胞相比，导管细胞似乎在组织中保留了一些相似性。例如，胰腺、唾液、乳腺和食管导管细胞通常表达一些经典的导管细胞标志物（KRT7、KRT19、SOX8和TSPAN8），以及在上述单细胞研究中鉴定到的标志物（LCN2、PROM1和WFDC2）。个别单细胞研究突出了功能相似的跨器官共享的上皮细胞，例如，簇状细胞存在于许多器官中，包括气管和气道（尽管非常罕见）、胃肠道、胸腺、膀胱和胰腺。尽管各个器官中的簇状细胞都有相同的标志物（POU2F3和GFI1B），但由于不同器官中的簇状细胞分化不同，其对应的层次也有所不同。例如，肠道中的簇状细胞起源于肠隐窝分泌祖细胞，而气道簇状细胞则起源于棒状细胞。通过动物实验发现，小鼠的气道和肠道中存在不同功能的簇状细胞亚群。系统的跨组织比较，将提供关于簇状细胞异质性、其器官型特化和分化可塑性的清晰信息。(图2)

Fig.2

3、血管和淋巴管脉管系统构成了一个广泛的运输系统，除了运输氧气、营养物质、代谢废物和免疫细胞外，血管系统还有助于器官发育、体内平衡、调节炎症和组织再生。长期以来，人们已经可以从形态学上区分出不同的内皮细胞亚型，但是对各亚型之间转录差异尚不清楚。现有研究已经确定了某些器官中有高度特化的内皮细胞亚型，例如气体交换肺泡毛细血管内皮细胞（Aerocytes，APLN、HPGD），主要功能是运输白细胞，被发现于肺实质中。血管的异质性远超血液和淋巴系统之间的差异，这种异质性进一步反应在器官内和不同器官间。血管和淋巴管都衬有内皮细胞，内皮细胞有建立和维持整个身体的共同基础设施并适应局部微环境以支持特殊功能的作用。内皮细胞的器官内异质性也早有研究证实，现有研究发现跨器官的内皮细胞中也有异质性。单细胞数据能够帮助研究人员解决以前无法区分的血管群，且其前所未有的规模和深度也有助于发现存在于多个器官中的某一类内皮细胞。（图3）

Fig.3

4、免疫细胞免疫细胞不断地通过血管在全身循环，然而循环免疫细胞并不能完全反映免疫细胞的表型多样性，这些免疫细胞会暂时或永久地存在于组织中。单细胞基因组学最近重新激发了长期以来在组织环境中分析免疫细胞、解开组织微环境中免疫细胞通讯网络的探索。来自原始卵黄囊和后来的胎儿肝脏的巨噬细胞具有一定的特化性。例如，脂质相关的TREM2⁺巨噬细胞首先在脂肪组织和肝脏中被报道，最近有研究发现，这种细胞群还存在于乳房、心脏、肺和前列腺等组织中。红细胞巨噬细胞是另一种表达与铁循环相关的基因的特化巨噬细胞，例如编码转录因子的SPIC以及SLC40A1和HMOX1，而且在一系列人体器官中还存在表达SPIC的巨噬细胞，被发现于胎儿肝脏和成人脾脏、骨髓、淋巴结和肠。迁移树突细胞具有成熟的表型，其特征是CCR7和抗原呈递分子的高表达。有研究发现，在肺肿瘤中发现的调节性迁移树突状细胞，它们表达免疫调节分子CD274和CD200，可以影响检查点阻断治疗的结果。B细胞和T细胞使用通过V(D)J基因片段的体细胞重组产生的特定受体识别抗原。在遇到抗原时，这些细胞类型可以获得多种记忆表型并在体内再循环。此外，记忆淋巴细胞可以表现出对局部组织微环境的适应能力，而单细胞基因组学可以对这些过程进行系统调查。全转录组和抗原受体的同时测序能够跨组织、细胞状态和条件跟踪B细胞和T细胞克隆。这种方法在初级和次级淋巴器官发育过程中的早期应用导致结合它们的V(D)J特征识别新的细胞状态，为未来的B细胞和T细胞（包括非常规亚型）的体外细胞工程方法提供相关信息。单细胞基因组学也提供了对终末分化细胞状态的见解，相关的研究剖析这些T细胞亚群、它们的克隆性和在其组织微环境中的相互作用，将有助于为设计有效的免疫和免疫治疗策略提供信息，并且这类方法已经开始产生对感染和癌症的新见解，为后续的临床治疗提供新思路。（图4）

Fig.4

讨论

随着单细胞和空间转录组学相关技术的发展，使我们能够检查处于各种条件、发育阶段和微环境中的细胞，还加深了我们对经典细胞类型分类的理解。而单细胞水平的综合基因表达路线图，有望最大限度地减少药物的脱靶效应。此外，更深入地了解组织特异性免疫，将为开发疫苗和癌症免疫疗法开辟新前景。

参考文献

[1] R; Human Cell Atlas Meeting Participants. The Human Cell Atlas. Elife. 2017 Dec 5;6:e27041.

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